ETCS: Level ↓

Übersicht

ETCS ist nicht gleich ETCS. Es gibt im Prinzip vier bis fünf verschiedene Anwendungsstufen, Level genannt:

• Level STM bzw. NTC
• Level 0
• Level 1
• Level 2
• Level 3 (ehemals)

Level NTC ↑↓

Funktional gesehen ist dies kein ETCS-Level, da das ETCS-Fahrzeuggerät hierbei keine Überwachungsaufgaben wahrnimmt. NTC bedeutet National Train Control, ist also die nationale Zugbeeinflussung. In Baseline 2 nannte sich der Level noch STM, was für Specific Transmission Module steht. Ein STM stellt die Anpassung an eine klassische Zugbeeinflussung zur Verfügung. So kann z. B. ein Fahrzeug mit ETCS-Fahrzeuggerät bei Vorhandensein eines STM "PZB 90" auf normalen deutschen Strecken fahren. Da das STM neben der eigentlichen Schnittstelle auch die gesamte Auswertung umfasst, wurde der Name in der neuen ETCS-Version (Baseline 3) geändert. Das STM greift lediglich auf einige Komponenten von ETCS zurück, z. B. auf das DMI, also die Bedien- und Anzeigeoberfläche.

In Level NTC wird das Fahrzeug also typisch auf eine Höchstgeschwindigkeit und auf das Beachten der Signalbegriffe überwacht. In welchem Rahmen dies erfolgt, hängt naturgemäß vom genutzten STM ab.

Level 0 ↑↓

Level 0 ist nun einerseits zwar ein echter ETCS-Level, weil das ETCS-Fahrzeuggerät hierbei alle Überwachungsaufgaben bewältigt. Andererseits aber wird außer einer fahrzeugbedingten Höchstgeschwindigkeit fast nichts überwacht, so dass man hierbei nur sehr bedingt von einer Zugbeeinflussung sprechen kann. Immerhin liest das Fahrzeug temporäre Langsamfahrstellen (TSR) von Balisen.

Level 1 ↑↓

Hier sind wir bei der "untersten" Stufe der echten Zugbeeinflussung angelangt. In diesem Level wird lediglich unidirektionale Kommunikation genutzt, d. h. das Fahrzeug bekommt Daten von der Strecke, kann auf diese aber nicht antworten (mit einer RIU gibt es zwangsläufig Verkehr in beide Richtungen, allerdings nicht mit Nutzdaten). Die Strecke "weiß" nichts von einem Fahrzeug (außer indirekt über die Gleisfreimeldung). Das macht die streckenseitige Implementierung einerseits einfacher, erlaubt aber kein Eingehen auf die spezifischen Belange eines Zuges. Zwar kann das auf konventionellem Wege, also über die Gleisfreimeldung und eine Zugnummernmeldeanlage, weitgehend ersetzt werden, die Zugnummernmeldung ist jedoch nicht sicher, und der Aufwand wäre im Vergleich zum Gewinn zu hoch. Einige Packets können zwar Datensätze für verschiedene Zugkategorien gleichzeitig enthalten, aufgrund der begrenzten Kapazität von Balisen ist dem allerdings in der Praxis eine Grenze gesetzt.

Im Regelfall bekommt das Fahrzeug in Level 1 seine Daten an Eurobalisen. Aus der Beschreibung zur Euroloop wird klar, dass ein flüssiger Betrieb und der Verzicht auf Signale in Level 1 nur mit Loop Infill oder Radio Infill möglich ist. Gut, das stimmt nicht ganz, aber den Bereich vor dem Signal mit Balisengruppen zu pflastern ist keine wirtschaftliche Alternative. Level 1 kann allerdings ein geeignetes Mittel sein, um einen Zug schon einmal durch ETCS gesichert fahren zu lassen, bevor dieser in Level 2 aufgenommen wird.

Im Prinzip läuft L1 ohne Infill so: Der Fahrzeugführer sieht vor sich ein Signal aufleuchten. Das kann ein richtiges Signal sein oder lediglich eine weiße Lampe, die sagt "Fahre über die Balise, dann bekommst Du eine Fahrerlaubnis." Die LEU oder Z-LEU hat derweil die erforderlichen Daten in die Balise geschrieben, so dass der Zug sie beim Passieren lesen kann. Der Zug hat damit seine Fahrerlaubnis samt den Streckendaten und rechnet diese in eine Bremskurve um, die dem Fahrer angezeigt wird. Dieser kann dann fahren. Nur wenn er zu schnell fährt bzw. nicht rechtzeitig bremst, bekommt er am DMI eine Warnung. Wenn er dann immer noch nicht reagiert, reagiert die OBU mit einem Bremseingriff.

Bei vielen anderen Zugbeeinflussungssystemen wird regelmäßig eine Bestätigung des Fahrzeugführers angefordert. Beispielsweise muss bei der PZB 90 quasi ständig die Wachsamkeitstaste gedrückt werden, wenn ein Zug direkt auf einen anderen folgt (immer "Halt erwarten"). ETCS ist weniger aufdringlich und bleibt oft komplett still, wenn der Fahrzeugführer innerhalb der Bremskurve bleibt.

Level 2 ↑↓

Level 2 ist nun das, was im Regelfall unter ETCS verstanden wird. In Level 2 bekommt der Zug die weitaus meisten Informationen per Euroradio. Eurobalisen werden normalerweise bis auf wenige Ausnahmen nur noch als Referenzen für die Ortsangaben genutzt. Auch die meisten dieser Ausnahmen begnügen sich mit Festdatenbalisen. Es sind einige Sonderfälle denkbar, in denen Transparentbalisen in Level 2 eingesetzt werden, mir ist aber nur ein konkreter Einsatzzweck bei der DB bekannt.

Das Prinzip von ETCS Level 2 ist simpel: Der Zug ruft beim RBC an und meldet seine Position und Richtung. Das RBC prüft anhand der vom Stellwerk gemeldeten Daten (Signalbegriffe und Weichenlagen), ob und wie weit der Zug fahren kann. Diese Information wird noch um die Streckendaten erweitert und geht dann per "SMS" an den Zug, der die Daten wie in Level 1 aufbereitet. Eine "SMS" nennt sich hierbei Message. Sie besteht aus einem oder mehreren Packets.

An sich ist das nicht anders als in Level 1. Probleme gibt es in Level 2 vor allem bei der Zuordnung zwischen Fahrtbegriff und Zug. Wenn der Zug z. B. 40 m vor dem Signal steht, kann der Fahrtbegriff für diesen oder eine dem RBC vielleicht unbekannte Lok dazwischen gelten. Dazu gibt es verschiedene Lösungsmöglichkeiten. Eine ist, den Fahrzeugführer bestätigen zu lassen, dass vor dem Zug bis zum Signal (bzw. bis zum Haltfallabschnitt) alles frei ist. Das RBC fragt hierzu "Track Ahead Free?" (Strecke voraus frei?) Wenn der Fahrzeugführer bestätigt, bekommt sein Zug die Fahrerlaubnis erteilt.

Umgekehrt weiß das RBC auch nicht genau, wo der Zug ist, wenn ein Signal in Halt fällt. Sofern das Stellwerk keinen Haltfallgrund meldet, ist also unklar, ob der Zug gebremst werden muss. Das kann der Zug am besten selbst entscheiden. Dazu schickt das RBC ihm eine entsprechende Frage. Bekommt der Zug sie, wenn er die entsprechende Position schon passiert hat, so meldet er "abgelehnt" zurück. Anderenfalls kürzt er seine Fahrerlaubnis auf die angegebene Position. Das Verfahren birgt sowohl die Möglichkeit, dass der Zug unberechtigt zwangsgebremst wird als auch umgekehrt ein gewisses Zeitfenster, in dem ein irregulärer Haltfall ignoriert wird.

Durch die theoretisch kontinuierliche Verbindung kann das RBC auch flexibel auf neue Situationen reagieren und beispielsweise die Fahrerlaubnis des Zuges aufgrund einer Überwachungsstörung verlängern oder kürzen. Es gibt sogar eine Message, mit der der Zug sofort zwangsgebremst wird.

Sowohl in Level 1 als auch in Level 2 gibt es grundsätzlich ein Stellwerk, das anhand von Fahrstraßen Signale in Fahrt stellt (auch wenn die Signale virtuell sein können) und das die Fahrstraßen zugbewirkt mit Hilfe der Gleisfreimeldung auflöst. Das RBC ist lediglich eine Ergänzung, in der Regel wird das Stellwerk auch ohne funktionieren.

Level 3 (ehemals) ↑↓

Level 3 war gewissermaßen die Königsdisziplin von ETCS. Es gab nämlich keine Gleisfreimeldung mehr, sondern die Freimeldung erfolgte über die Positionsmeldungen des Zuges. Damit kann streckenseitig auf Gleiskreise und Achszähler verzichtet werden, und feste Blockabstände sind auch nicht mehr erforderlich ("Moving block").

Leider hat dieser an sich so einfach scheinende Punkt einige Stolpersteine:

• Die Freimeldung des Zuges funktioniert nur, wenn die Zugintegrität gewährleistet ist, d. h. eine Zugtrennung ausgeschlossen ist bzw. erkannt wird. Bei Reisezügen kann man davon ausgehen, bei Güterzügen eher nicht.
• Zudem muss die Zuglänge genau bekannt sein. Relativ unkompliziert ist das bei Triebwagen und Triebwagenzügen mit Bus, die die gekuppelten Fahrzeuge automatisch ermitteln. Bei Wagenzügen ist das hingegen schwierig oder vielmehr nur manuell möglich. Damit eine signaltechnische Sicherheit zu erreichen und die Zulassungsbehörden davon zu überzeugen ist eine ziemlich hohe Kunst.
• Es wird auch mit einer Kapazitätserweiterung argumentiert, weil nicht im festen Raumabstand, sondern im wandernden Raumabstand gefahren wird (Moving Block). Es gibt hier aber ebenfalls zwei Probleme:
  • Die Freimeldung erfolgt nur zyklisch. Wie oft ein Fahrzeug eine Positionsmeldung an das RBC meldet, kann vom RBC festgelegt werden. Zeiten unter etwa drei Sekunden sind aber unrealistisch (in heutigen Anwendungen sind sechs Sekunden typisch). Damit erfolgt die Freimeldung (Laufzeiten nicht einberechnet) womöglich erst, wenn der Zug zwischen 150 m (Güterzug) und mehr als 500 m (Hochgeschwindigkeitszug) hinter der relevanten Freimeldegrenze ist. Das statistische Mittel dürfte bei der Hälfte liegen, für die Berechnung einer fahrplanmäßigen Zugfolge sollte aber eher der Worst Case genutzt werden.
  • Der vorgenannte Punkt berücksichtigt noch nicht, dass die Integrität zum Zeitpunkt der Positionsmeldung aktuell vorliegen muss. Falls diese Meldung beispielsweise nur alle zehn Sekunden erfolgt, muss diese Zeit auf das Position-Report-Intervall addiert werden.
  • Hinzu kommt, dass die Positionsbestimmung mit einer gewissen Unsicherheit behaftet ist, siehe Odometrie. Das kann nicht pauschal quantifiziert werden, weil es von der Ausstattung der Strecke mit Balisen abhängt, aber stärker als erwartet auch vom Typ des Fahrzeugs und der Art der Odometrie. In extremen Fällen (Glätte, Radarstörung durch Schnee) kann die Unsicherheit mehr als 100 % betragen.
  Das Senden einer Positionsmeldung kann auch an Balisen getriggert werden, diese werden aber an der Zugspitze gelesen. Immerhin wird damit gleichzeitig die Positionsungenauigkeit verringert. Dennoch bleibt das Fazit, dass ein Achszähler und meist auch ein Gleiskreis deutlich schneller auf das Freifahren reagiert. Insgesamt erreicht Level 3 gegenüber Level 2 mit optimierter Blockteilung nur wenige Prozent mehr Kapazität, ausgenommen auf schwach befahrenen Regionalstrecken. (Werte aus der Dissertation von Christoph Gralla, Uni Braunschweig ⇒  Dissertation "Zur Gestaltung einer ETCS-Migration eines Eisenbahnverkehrsunternehmens")
• Konventionelle Freimeldung funktioniert auch bei Ausfall der ETCS-Fahrzeuggeräte bzw. des Funks und erlaubt grundsätzlich auch Mischbetrieb mit Fahrzeugen ohne ETCS (und seien das auch nur Wartungsfahrzeuge). Dazu kommt, dass Gleiskreise bei einigen Bahnen wegen der Möglichkeit, Schienenbrüche zu detektieren, vorgeschrieben sind. (Tatsächlich sind mit normalen Gleiskreisen nur Querbrüche erkennbar, die relativ harmlos sind.)
• Es gibt auch noch ein wirtschaftliches Argument: Bestehende Strecken haben in der Regel bereits Stellwerke mit Gleisfreimeldung. Selbst wenn das an neuen oder zu modernisierenden Strecken nicht der Fall ist, so gibt es fertige Stellwerksimplementierungen, die auf die Gleisfreimeldung setzen. Ein Level-3-System würde aufgrund der Abhängigkeiten wahrscheinlich mit der Neuentwicklung einer Kombination aus RBC und Stellwerk einher gehen und entsprechende Investitionskosten bedingen.
• Das letzte Argument ist betriebswirtschaftlich: Die Ausstattung einer Strecke mit Level 3 spart Geld an der Netzinfrastruktur, erfordert aber zusätzliche Investitionen auf Fahrzeugseite. Noch extremer ist das übrigens bei Funkfahrbetrieb, wo auf den Fahrzeugen die Netztopologie gepflegt werden muss. Da gerade aufgrund europäischen Rechts Infrastrukturunternehmen und Verkehrsunternehmen separiert sind, handelt es sich hierbei also um eine Umverteilung der Kosten von EIU auf EVU. Letztere sind davon natürlich nicht begeistert.

In Summe sind es vermutlich all diese Faktoren zusammen, die dafür sorgen, dass es auf öffentlichen Strecken nie einen Betrieb in Level 3 gab, sondern dies nur in mehr oder weniger geschlossenen Systemen realisiert oder auch nur versucht wurde.

Für die Spezifikation ergab sich das Problem, dass der Unterschied zwischen Level 2 und Level 3 für ETCS marginal wäre. Das Fahrzeug muss lediglich die Zugvollständigkeit (Integrität) melden, die außerhalb von ETCS ermittelt wird. Dies ist ihm aber auch in Level 2 erlaubt. Wie das RBC seine Movement Authority ermittelt, ist ohnehin nicht definiert. Bis auf minimale Randbedingungen bezog sich Level 3 also auf Aufgaben außerhalb der Verantwortung von ETCS.

Mit Baseline 4 wurde Lavel 3 deshalb aus der Spezifikation gestrichen. Ursprünglich gab es die Idee, einen Level R (Radio) einzuführen, man beließ es dann aber bei Level 2.

Hingegen ist davon auszugehen, dass demnächst die ersten Anwendungen von Hybrid Train Detection (HTD) auftreten. Hierbei handelt es sich um eine normale Level-2-Strecke, auf der eine zusätzliche virtuelle Blockteilung eingerichtet wird. Diese zusätzlichen Blockabschnitte haben keine physikalische Freimeldung, sind also nur verfügbar, wenn ein Zug mit gemeldeter Integrität vorausfährt und sie logisch freimeldet.
Der ursprünglich genutzte Name Hybrid Level 3 (HL3) hat sich aus naheliegenden Gründen erledigt.

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